LED光源设计：可调谐太阳光模拟器的全光谱精准覆盖技术

在现代能源研究与产业应用领域，太阳光模拟器是评估太阳光电池性能的关键设备。传统的氙闪灯或短弧灯作为光源，存在寿命短、重新加载时间长和校准程序繁琐等问题，如今，随着高功率 LED 技术的不断进步，一款新型的可调谐 LED 太阳光模拟器应运而生，其研发成果为该领域带来了新的希望与发展方向。Luminbox太阳光模拟器采用先进光学技术，能够精准模拟自然太阳光谱，确保实验环境与真实太阳光照条件高度一致。

研发背景与目的

luminbox

 

传统太阳光模拟器通常采用氙闪灯或短弧灯来模拟AM1.5G光谱，然而这类设备存在显著弊端：光源寿命较短，更换成本高且会对生产效率产生影响；闪光发生器加载时间长，造成测试通量低下；校准程序复杂且耗时，难以保障测量精度。

 

 

有鉴于此，研究人员致力于让模拟器覆盖硅基太阳电池所需的紫外（UV）至近红外（NIR）全光谱范围，通过提升测量精度、降低维护成本，为电池研发与生产提供高效的测试方案。

LED 光源设计

luminbox

目标光谱与灵活性

 

模拟器的目标光谱范围设定为 350 - 1100nm。在模拟全光谱时，会优化每个 LED 的正向电流，使其满足相关规范要求。而且，LED 光源的灵活性可让用户根据具体应用需求，灵活匹配光谱。

 

 

LED选择：多波段组合：紫外（365-400nm）、蓝（450nm）、绿（530nm）、红（630-660nm）、近红外（800-1000nm）等。下图展示了太阳光模拟器期望达到的光谱效果，体现了对不同波长光的调控目标，以及与标准光谱的匹配关系。

 

 

太阳光模拟器的目标光谱图

可见光区域

 

采用高功率 LED 覆盖可见光区域虽相对容易，但通过红、绿、蓝三色组合生成白光时，易在 560nm 附近形成光谱间隙。该模拟器通过避免使用白光 LED 方案，有效填补了绿色（525nm）至黄色（590nm）光谱区间的空白，在保持全光谱区域可调性的同时，无需额外补偿模块。

紫外线区域

 

LED 光谱分布具有一定宽度，在紫外线区域可利用这一特点填补不同 LED 基本波长之间的间隙。通过叠加多个近似高斯分布的函数，使光谱总和达到预期标准。虽然 UV 区域高功率 LED 数量较少，但所需正向电流低于最大允许电流，延长了 LED 使用寿命。下图中窄线展示了三个不同波长 LED 的辐照度随波长的变化，展示了在紫外线区域实现光谱匹配的方法和原理。

 

 

紫外区域的模拟细节图

近红外区域

 

研究人员组装了包含 6 种不同 LED 的测试头进行测量，结果与模拟数据一致。通过单独调节正向电流，可填补光谱间隙，并满足相关标准对光谱强度的要求。与传统氙灯光谱相比，LED 光谱强度变化更平滑，能减少因光谱峰值不稳定带来的测量不确定性。下图展示了在近红外区域的测量结果和理论曲线，通过对 6 个不同 LED 的测试和测量，验证了模拟数据的准确性，表明可以通过调节正向电流来匹配太阳能光谱强度要求。

 

 

红外区域的测量图

光学设计

 

当前 IR - LED 测试头中的高功率光源均匀性不足。未来将通过构建密集 LED 阵列，并改进镜通道作为均化元件，解决这一问题。

 

 

 

 

结论与展望

luminbox

 

目前，可调谐 LED 太阳光模拟器已具备良好的时间稳定性，但在均匀性方面距离理想标准仍有较大提升空间。光谱匹配方面，模拟显示可与目标光谱紧密匹配，近红外区域的首次测量也证实了模拟光谱的可行性。随着先进冷却技术的应用，有望实现全强度、全光谱照明，为相关领域提供具有独特优势的新型光源。

 

 

Luminbox太阳光模拟器

luminbox

Luminbox太阳光模拟器采用先进光束准直技术与高均匀光斑设计，精准复现AM1.5G太阳光谱，辐照输出稳定，为实验室提供高效可靠的光照测试解决方案。

 

 

AAA级性能：光谱匹配度符合IEC60904-9标准 AAA级，可达实验室校准精度；

 

 

长效稳定：优化光源设计大幅降低维护频率，减少校准与停机时间，提升实验效率；

 

 

应用场景：可选配光学滤镜，灵活模拟室内外日光环境，满足多元测试需求。

 

 

未来，随着高功率 LED 技术的应用，有望实现全强度、全光谱照明，Luminbox太阳光模拟器致力于为科研与工业测试提供高精度、稳定可靠的光源解决方案，也将在光伏产业、航天技术等领域发挥更为重要的作用，为人类对太阳能的利用和探索提供更有力的支持。

原文出处:《Development of tunable close match LED solar simulator  with extended spectral range to UV and IR》 

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。